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技術 ランプ加熱装置

出願人 光洋サーモシステム株式会社
発明者 服部昌
出願日 2015年3月12日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2015-049687
公開日 2016年9月23日 (3年5ヶ月経過) 公開番号 2016-170964
状態 特許登録済
技術分野 光起電力装置 CVD アニール フィードバック制御一般 抵抗加熱の制御
主要キーワード シングルループ 単一制御 定値制御 光量目標値 ランプ加熱装置 電力制御量 温度目標値 スパイクアニール処理
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年9月23日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

制御パラメータ微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるようにする。

解決手段

制御部5は、目標値設定部51、温度制御器52及び光量制御器53を備えている。目標値設定部51は、予め記憶しているシーケンスに従って被処理物Wの目標温度を経時的に設定する。温度制御器52は、被処理物Wの現在の温度と目標温度との差分に基づいて、ハロゲンランプ2が照射すべき光量制御量を出力する。光量制御器53は、ハロゲンランプ2の現在の光量と光量制御量との差分に基づいてハロゲンランプ2に供給すべき電力制御量を決定する。

概要

背景

太陽電池電極焼成処理等の加熱処理には、ハロゲンランプ等の可視光近赤外域光源熱源としたランプ加熱装置が用いられている。ランプ加熱装置は、放射温度計によって被処理物の温度を測定し、被処理物の温度が適正な処理温度となるように、シングルループフィードバック制御によって光源を駆動する(例えば、特許文献1参照。)。

概要

制御パラメータ微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるようにする。制御部5は、目標値設定部51、温度制御器52及び光量制御器53を備えている。目標値設定部51は、予め記憶しているシーケンスに従って被処理物Wの目標温度を経時的に設定する。温度制御器52は、被処理物Wの現在の温度と目標温度との差分に基づいて、ハロゲンランプ2が照射すべき光量制御量を出力する。光量制御器53は、ハロゲンランプ2の現在の光量と光量制御量との差分に基づいてハロゲンランプ2に供給すべき電力制御量を決定する。

目的

この発明の目的は、光源の光量に対する被処理物の温度の応答性を光源の光量のフィードバック制御によって向上させることで、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるランプ加熱装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

被処理物に光を照射して加熱する光源と、前記被処理物の温度を検出する温度センサと、前記光源の光量を検出する光量センサと、前記温度センサの検出温度温度目標値に一致させるための前記光源の制御量を出力する温度制御部と、前記光量センサの検出光量が前記温度制御部から出力された前記光源の制御量に一致するように前記光源を駆動する光量制御部と、を備えたランプ加熱装置

請求項2

前記光量センサは、光の波長吸収域が前記被処理物の吸収域と略一致する請求項1に記載のランプ加熱装置。

請求項3

前記光量センサは、検出感度波長域が前記光源の照射光の波長域に重複する請求項2に記載のランプ加熱装置。

請求項4

前記光量センサは、前記光源を挟んで前記被処理物の反対側に配置される請求項1乃至3の何れかに記載のランプ加熱装置。

技術分野

0001

この発明は、太陽電池電極焼成処理等の加熱処理に用いられる加熱装置に関し、特に、ハロゲンランプ等の可視光近赤外域光源を備えたランプ加熱装置に関する。

背景技術

0002

太陽電池の電極の焼成処理等の加熱処理には、ハロゲンランプ等の可視光〜近赤外域光源を熱源としたランプ加熱装置が用いられている。ランプ加熱装置は、放射温度計によって被処理物の温度を測定し、被処理物の温度が適正な処理温度となるように、シングルループフィードバック制御によって光源を駆動する(例えば、特許文献1参照。)。

先行技術

0003

特開2006−147943号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、フィードバック制御による光源の光量の応答性は十分に速いが、光量に対する被処理物の温度の応答性は遅いため、シングルループによるフィードバック制御では被処理物の温度を目標値に素早く追従させることが難しい。このため、従来のランプ加熱装置を用いて、例えば、太陽電池の電極の焼成処理におけるスパイクアニールのように100℃/秒を越える速度で被処理物の温度を急速に変化させる場合、制御パラメータ微調整等の煩雑な作業が必要になる。

0005

このような問題は、太陽電池の電極の焼成処理に限らず、ランプ加熱装置における加熱処理に一般的に生じる。

0006

この発明の目的は、光源の光量に対する被処理物の温度の応答性を光源の光量のフィードバック制御によって向上させることで、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができるランプ加熱装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

この発明のランプ加熱装置は、光源、温度センサ光量センサ温度制御部、光量制御部を備えている。光源は、被処理物に光を照射して加熱する。温度センサは、被処理物の温度を検出する。光量センサは、光源の光量を検出する。温度制御部は、温度センサの検出温度温度目標値に一致させるための光源の制御量を出力する。光量制御部は、光量センサの検出光量が温度制御部から出力された光源の制御量に一致するように光源を駆動する。

0008

この構成によれば、温度センサの検出温度に基づいて被処理物を目標温度に一致させる第1のループのフィードバック制御に、光量センサの検出光量に基づいて光源の光量を制御する第2ループのフィードバック制御が追加される。被処理物を加熱する光源の光量が第2ループのフィードバック制御によって直接制御され、被処理物の温度が素早く目標温度に一致する。

0009

この構成において、光量センサは、検出感度波長域が光源の照射光の波長域に重複し、かつ光の波長吸収域が被処理物の吸収域と略一致することが好ましい。光量センサの検出感度の高い波長域が被処理物を加熱する光の波長域に一致し、被処理物を加熱する波長域の光量を正確に検出することができる。

0010

また、光量センサは、光源を挟んで被処理物の反対側に配置することが好ましい。光源の光を確実に受光できるとともに、被処理物における反射光を受光し難くなり、光源の光量を正確に検出することができる。

発明の効果

0011

本発明によれば、光量に対する被処理物の温度の応答性が光源の光量のフィードバック制御によって向上し、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物の温度を目標値に素早く追従させることができる。

図面の簡単な説明

0012

本発明の実施形態に係るランプ加熱装置の概略の断面図である。
同ランプ加熱装置の要部の断面図である。
同ランプ加熱装置の光量センサの放射率特性の一例を示す図である。
同ランプ加熱装置の制御部のブロック図である。
ランプ制御装置における被処理物の温度変化を示す図である。

実施例

0013

以下に、この発明の実施形態に係るランプ加熱装置について、図面を参照しつつ説明する。

0014

図1に示すように、この発明の実施形態に係るランプ加熱装置10は、炉体1、ハロゲンランプ2、温度センサ3、光量センサ4、制御部5及びランプ駆動部6を備え、被処理物Wを所定の温度に加熱する。被処理物Wは、一例としてシリコン素材として板状を呈する太陽電池の電極材料である。

0015

炉体1は、断熱性を有する筐体であり、内部に被処理物Wが搬入出される。ハロゲンランプ2は、この発明の光源であり、炉体1の内部に、一例として上下に5個ずつ配置される。被処理物Wは、上下のハロゲンランプ2の間に搬入される。この発明の光源は、ハロゲンランプに限るものではなく、個数、配置位置、形状も図1に示す状態に限るものではない。

0016

温度センサ3は、一例として放射温度計であり、被処理物Wの温度を測定する。温度センサ3は、炉体1の外部に配置され、炉体1に形成された貫通孔11を経由して、被処理物Wの底面に対向している。温度センサ3は、放射温度計に限るものではなく、例えば、被処理物Wの温度を直接測定するものであってもよい。

0017

光量センサ4は、一例として、シリコンフォトダイオードであり、炉体1の外部に配置され、炉体1に形成された貫通孔12を経由して、ハロゲンランプ2の光量を測定する。制御部5は、温度センサ3の検出温度及び光量センサ4の検出光量に基づいて作成したハロゲンランプ2の駆動データをランプ駆動部6に出力する。ランプ駆動部6は、駆動データに基づいてハロゲンランプ2を駆動する。制御部5及びランプ駆動部6が、この発明の駆動制御部に相当する。

0018

温度センサ3及び光量センサ4について、図2及び図3により、さらに詳細に説明する。図2に示すように、温度センサ3は、水平方向について炉体1内に配置されている2つのハロゲンランプ2の間に位置しており、貫通孔11を経由して被処理物Wの底面に直接対向している。これによって、温度センサ3は、被処理物Wの温度を正確に測定できる。

0019

光量センサ4は、炉体1内に配置されている複数のハロゲンランプ2のうち、被処理物Wの全体の温度に与える影響が大きい例えば中央部のハロゲンランプ2に対向する位置で、被処理物Wや炉体1の内壁からの反射光の影響を受け難い位置に配置されている。

0020

光量センサ4は、貫通孔12に備えられている減光フィルタ41を介してハロゲンランプ2の光を受光する。また、光量センサ4は、放熱部材42に取り付けられている。光量センサ4は、減光フィルタ41及び放熱部材42によってハロゲンランプ2の光による温度上昇を最小限に抑えられ、ハロゲンランプ2の光量を正確に測定できる。

0021

なお、温度センサ3及び光量センサ4の配置位置は、炉体1の下方に限るものではなく、一方又は両方を炉体1の上方又は側方に配置することもできる。但し、平板状の被処理物Wの温度を放射温度計である温度センサ3によって測定するためには、温度センサ3を被処理物Wの主面に対向して配置することが望ましい。また、光量センサ4は、被処理物Wや炉体1の内壁からの反射光の影響を受け難い位置でハロゲンランプ2に直接対向させる必要がある。さらに、温度センサ3及び光量センサ4は、ともに制御部5に接続されるため、互いに近接して配置することが好ましく、例えば放熱部材42を介して両者を一体的に固定することもできる。

0022

図3は、光量センサの放射率特性の一例として、シリコンフォトダイオードによって構成された光量センサ4の放射率特性を示している。同図に示すように、光量センサ4の放射率特性は、被処理物Wの素材であるシリコンの放射率特性と略一致する。また、シリコンフォトダイオードの検出感度波長域は、ハロゲンランプ2の発光波長オーバラップする。放射率特性は光の吸収特性と等価と考えられる。このため、光量センサ4は、被処理物Wのハロゲンランプ2の光による加熱状態を、ハロゲンランプ2の光の光量によって正確に検出することができる。

0023

なお、この発明の光源は、ハロゲンランプ2に限るものではない。ハロゲンランプ2以外であっても、使用する光源の発光波長にオーバラップする検出感度波長域を有し、放射率特性が略一致する材料で構成された光量センサ4を使用することで、被処理物Wの光源の光による加熱状態を、光源の光の光量によって正確に検出することができる。

0024

温度センサ3及び光量センサ4の検出値に基づくハロゲンランプ2の駆動制御について、図4により、さらに詳細に説明する。図4に示すように、制御部5は、温度制御器51、光量制御器52及び電力変換器53を備えている。制御部5は、図示しない記憶部に予め記憶されているシーケンスに従って被処理物Wの温度目標値TOを経時的に設定する。温度制御器51は、温度センサ3が検出した被処理物Wの現在の温度TRと温度目標値TOとの差分に基づいて、ハロゲンランプ2が照射すべき光量目標値LOを出力する。光量制御器52は、光量センサ4が検出したハロゲンランプ2の現在の光量LRと光量目標値LOとの差分に基づいてハロゲンランプ2に供給すべき電力制御値を決定し、電力変換器53に入力する。

0025

即ち、制御部5は、温度センサ3の検出温度に基づいて被処理物Wを目標温度に一致させる第1のループのフィードバック制御に加えて、光量センサ4の検出光量に基づいてハロゲンランプ2の光量を制御する第2ループのフィードバック制御を行う。制御部5は、被処理物Wを加熱するハロゲンランプ2の光量を直接制御することができ、被処理物の温度を素早く目標温度に一致させることができ、被処理物Wの温度軌跡を1/10秒単位高速で制御することができる。

0026

制御理論に示されるように、制御目標値時系列的に変化しない一定値である定値制御を行う場合、制御系が積分極を1つ備えれば制御遅れを生じない(制御偏差が0)。これに対して、時系列的に変化する制御目標値に追随させるランピング制御を行う場合は、制御系が積分極を2つ備えることが望ましい。

0027

一般的なPID制御における制御系の伝達関数C(s)は、比例ゲインをKP、積分ゲインKI微分ゲインをKDとして、
C(s)=KP+KI・1/s+KD・s
で表される。制御対象が積分極を有する場合は、1つのみの積分極1/sを有する単一制御ループの制御系であっても、ランピング制御における制御偏差を抑制できるが、一般に制御対象が積分極を有することは少ない。そこで、制御系に2つの制御ループを構成し、それぞれが積分極を有する2つの制御器を備えることで、ランピング制御における制御偏差を0にすることができる。

0028

例えば、被処理物Wの温度を所望のピーク温度で保持するスパイクアニール処理を1つの制御ループのみを有する制御系を用いて行おうとすると、図5に示すように、所望のピーク温度に達した後に一定時間pにわたって目標値を保持する必要があり、目標値の調整作業が必要となる。また、制御遅れを生じて、制御対象を目標値に追随させることができない。

0029

これに対して、2つの制御ループを構成して積分極を2つ備えた制御系では、目標値が所望のピーク値に達した時点で制御量を0とすることができ、スパイクアニール処理等の時系列的に変化する目標値に制御対象を追随させることができする。

0030

したがって、光量に対する被処物Wの温度の応答性がハロゲンランプ2の光量のフィードバック制御によって向上し、制御パラメータの微調整等の作業を必要とすることなく被処理物Wの温度を目標温度軌跡に素早く追従させることができる。

0031

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0032

1−炉体
2−ハロゲンランプ(光源)
3−温度センサ
4−光量センサ
5−制御部
6−ランプ駆動部

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